電流の定義
銅のような導体内部には、高速で自由にランダムに動き回る電子が存在しますが、金属から脱出することはありません。このように自由に動き回れる電子を自由電子と呼びます。電子はあらゆる方向に自由に動き回りますが、特定の方向に電子が正味で流れることはありません。この状態は、銅線の両端に電位差がないときに発生します。
銅線が電源に接続されると、銅線の両端間に電位差が生じ、銅線内に電場が発生します。電場が存在すると、自由電子は電気力F = q E = e Eを受けます。ここで、 F は電気力、e は電子の電荷、E は電場です。この電気力により、自由に運動するすべての電子は、電気力と同じ方向に共通の加速度を受けます。
これらの自由電子は、銅線内の静止した原子の間を一緒に移動し、すべての電子がこれらの原子と衝突します。これらの衝突によって、自由電子の運動方向が変化します。これらの電子はすべて常に電気力を受けており、電気力と同じ方向に加速します。しばらく移動した後、自由電子は再び銅線内の原子と衝突します。しかし、自由電子は常に電気力を受けており、すべての電子が再び加速します。
つまり、自由電子は様々な方向にランダムに移動するだけでなく、電気力の方向、つまり電場の逆方向にゆっくりと集団で移動する。電場の方向は高電位から低電位へと向かう一方、電子は低電位から高電位へと移動する。個々の自由電子のランダムな運動速度は非常に速いが、電気力の方向への自由電子の集団運動速度は非常に遅い。この電気力の方向への自由電子の集団運動は、ドリフト速度とも呼ばれる。
電流とは、導体の断面を一定時間内に通過する電荷の流れと定義されます。慣例として、電流の方向は正電荷の移動方向と同じとされています。この合意は、導体内を実際に移動するのは自由電子であり、負電荷を帯びていることが知られる以前になされたものです。導体内における電子の移動方向は、電流の方向とは逆です。したがって、導体内を流れる電流について議論する場合、それは正電荷の流れを意味し、この合意に基づく慣習的な電流とも呼ばれます。
電流の公式
数学的に、電流は次の式で表されます。
I = ΔQ / Δt
式の説明：I = 電流、ΔQ = 電荷量、Δt = 時間間隔。
電流の単位
電荷の単位はクーロン、時間の単位は秒なので、電流の単位はクーロン/秒です。クーロン/秒は、フランスの物理学者アンドレ・マリー・アンペール（1775-1836）にちなんでアンペアとも呼ばれます。1アンペア = 1クーロン/秒（1 A = 1 C / s）。言い換えれば、1アンペアの電流は、1クーロンの電荷が1秒間に断面積を通過することに等しいです。電流はアンペアの他に、ミリアンペア（1 mA = 10 -3 A）、マイクロアンペア（1 μA = 10 -6 A）、ナノアンペア（1 nA = 10 -9 A）、ピコアンペア（1 pA = 10 -12 A）でも表されます。
例題1：
2アンペアの電流が8秒間、導線を流れる。ある点を通過する電荷の大きさと、その電荷に含まれる電子の数を求めよ。
討論
以下のことが知られています。
電流（I）＝1アンペア
時間間隔（t）＝2秒
質問: 電荷（Q）と電子の数（e）
ジャワブ：
電流の公式：
I = Q/t
式の説明：I = 電流、Q = 電荷、t = 時間間隔
電荷：
Q = I t = (2アンペア)(8秒) = 16クーロン。
電子1個の電荷は1,6 x 10 -19クーロンなので、16クーロンの電荷には16 C / 1,6 x 10 -19クーロン = 10 x 10 19個の電子が含まれます。
電流、ドリフト速度、電流密度
断面積 A の導体内を、電場 E の方向にドリフト速度 v で右方向に移動する正電荷を考えます。正電荷は時間間隔 t の間に距離 s = vt だけ移動します。
単位体積あたりの荷電粒子数（荷電粒子密度）を n、導体の体積を A s = A vt とすると、導体体積内の荷電粒子数は n A v t となります。各荷電粒子の電荷を q とすると、時間間隔 t の間に導体の端を通過する電荷量は Q = nq A v t となります。したがって、導体の端を流れる電流は I = Q/t = nq A v となります。一方、断面積 A あたりの電流密度は J = I/A = nq v となります。導体を流れる電流は、荷電粒子密度 (n)、各粒子の電荷の大きさ (q)、導体の断面積 (A)、および荷電粒子のドリフト速度 (v) の積の結果であると結論付けられます。
以下の例題を研究して、個々の荷電粒子の速度と、すべての荷電粒子のドリフト速度の違いを理解してください。
例題2：
断面積が 3 × 10 の銅線に 10 アンペアの一定電流が流れている。-6 m2自由電子密度は 8,4 × 10 です。28 電子/m3自由電子のドリフト速度を求めよ！
討論
以下のことが知られています。
電流（I）＝10アンペア
電線の断面積 (A) = 3 x 10-6 m2
自由電子密度 (n) = 8,4 x 1028 m-3
電子の電荷 (q) = 1,6 x 10-19 C
質問: 自由電子のドリフト速度（v）
ジャワブ：
電子の速度は、先に導出した式を用いて計算される。
説明：I = 電流、n = 荷電粒子の密度 = 自由電子の密度、q = 電子1個の電荷、A = 導体の断面積、v = 電子のドリフト速度
電子のドリフト速度は 0,248 × 10⁻³メートル/秒 = 0,248 ミリメートル/秒です。
自由電子は導線内を毎秒0,248ミリメートルの速度で一斉に移動します。つまり、毎秒すべての自由電子が0,248ミリメートル移動するということです。これは非常に遅い速度です。自由電子の移動がこれほど遅いのに、なぜ電灯はスイッチを入れるとすぐに点灯するのでしょうか？
これを理解するには、導体中の電子の流れをホースの中の水の流れに例えて考えてみましょう。ホースに水が満たされている場合、ホースの一方の端を蛇口につなぐと、もう一方の端からすぐに水が流れ出します。同様に、銅線や電球の配線にも自由電子が存在します。スイッチを入れると、光速（光速＝3×10⁸メートル/秒）に近い速度で電場が発生し、自由電子がすぐに一緒に動き始めます。電球の配線にはすでに自由電子が存在するため、電球はすぐに点灯します。
